CN1810720A - 一种高热导氮化硅陶瓷的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高热导Si3N4陶瓷的制备方法，其特征在于采用SPS低温快速烧结技术，以氮化物作为烧结助剂制备高热导氮化硅陶瓷的方法，属于非氧化物陶瓷制备领域。本发明中高热导Si3N4陶瓷是由α－Si3N4粉体和烧结助剂按100∶10～2的比例混合，采用SPS低温快速烧结技术制备的。在制备过程中，将原料装入石墨模具中，在10～100MPa、1500℃～1700℃、保温时间3～30分钟条件下SPS快速烧结。本发明制备的氮化硅陶瓷具备高的热导率的同时仍可保持高的强度，其中热导率可达120Wm－1K－1、三点抗折强度σb达750MPa以上。

Description

一种高热导氮化硅陶瓷的制备方法
技术领域
本发明涉及一种高热导氮化硅陶瓷的制备方法，更确切的说是以氮化物粉体作为烧结助剂的放电等离子烧结(SPS)的低温快速烧结制备高热导氮化硅陶瓷的方法，属于非氧化物陶瓷制备领域。
背景技术
近年来，人们在研究高热导陶瓷基片材料过程中，发现Si3N4符合Slack关于高热导材料的特征。Haggerty和Lightfoot根据Si3N4的结构提出β-Si3N4的理论热导率高达200～320W/m·K，而且还具有热膨胀系数与单晶Si接近、电绝缘性好、无毒等非常优异的性能，是一种理想的散热和封装材料。
Si3N4陶瓷与A1N陶瓷相比，具有不可替代的优势，Si3N4陶瓷强度容易达到600MPa以上，是AlN陶瓷(300MPa左右)强度两倍以上，在散热量相同的情况下，Si3N4陶瓷基片即使做得更薄仍能满足强度的要求；Si3N4抗氧化性比AlN强，可以水基处理，从而可大大降低成本。另外，Si3N4还具有常温和高温下一系列独特优异的物理、化学性能，如高韧性、低热膨胀系数、耐热冲击性、良好的绝缘性、耐磨损和耐腐蚀等，且性能保持至温度达到1000℃不明显下降。
Si3N4陶瓷的热导与声子散射的平均自由程有关，而后者又与Si3N4的晶格完整性和晶界有关，影响Si3N4导热性能的微观结构缺陷可分为两大类，第一类是Si3N4晶粒内部缺陷，如晶格畸变、空位、位错、层错、反相畴界等晶格缺陷和晶内析出物、固熔体、气泡等晶粒缺陷，其中Si3N4陶瓷中氧含量对Si3N4陶瓷的热导影响很大；另一类是晶界缺陷，包括晶界状态、晶界第二相、气孔及玻璃相等。研究表明，其中晶格中的氧对Si3N4陶瓷的导热性影响很大。
国内外研究人员正在积极地研究以氧化物作为烧结助剂如何得到高热导、高性能的Si3N4陶瓷。其中日本的H.Yokota等采用10mass％的Yb2O3和2mass％的ZrO2作为烧结助剂，在0.9Mpa的氮气保护下，先在1900℃保温36小时，然后在1700℃保温100小时，得到热导率为150W/m·K的氮化硅陶瓷[H.Yokota，H.Abe，M.Ibukiyama，Effect of lattice defects on the thermal conductivity of β-Si3N4，J.Eur.Ceram.Soc.，23(2003)1751-1759]。国内清华大学也在积极研究如何制备高热导氮化硅陶瓷材料，但其最高的热导率只有79W/m·K[Wei Xu，Xiao-shanNing，He-ping Zhou，Yuan-bo Lin，Study on the thermal conductivity andmicrostructure of silicon nitride used for power electronic substrate，Mater.Sci.Eng.B，99(2003)475-478]。
近年发展起来的SPS低温快速烧结技术具有升温速率快、烧结时间短、烧结组织均匀等特点。国内外研究人员正积极地将SPS低温快速烧结技术应用于各种陶瓷的烧结。瑞典斯德哥尔摩大学的沈志坚博士等[Zhi jian Shen，Zhe Zhao，Hong Peng，Mats Nygren，Formation of tough interlocking microstructuresin silicon nitride ceramics by dynamic ripening，Nature，417(2002)266-269]提出采用SPS低温快速烧结技术，可以在较低的温度下获得晶粒充分长大的氮化硅陶瓷。
本发明拟创造性的提出能否以氮化物作为烧结助剂，通过SPS低温快速烧结法来制备高热导的氮化硅陶瓷，一方面减少了传统氮化硅陶瓷所采用的氧化物烧结助剂中杂质氧对最终陶瓷性能的影响，另一方面低的温度极短的保温时间可以大大降低能源和人力的耗费。此发明制备的氮化硅陶瓷可以达到较高的热导率，已达到120W/m·K，且保持较好的力学性能。到目前为止，尚未见到单独以氮化物作为烧结助剂SPS低温快速烧结法制备高热导氮化硅陶瓷的报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高热导的氮化硅陶瓷的制备方法。
具体地说：
(1)以α-Si3N4粉体和作为烧结助剂的氮化物粉体为起始原料，两者重量比例为100∶10～2；其中α-Si3N4粉的α相含量＞83wt％，氮化物为MgSiN2、Mg3N2和BeSiN2中任意一种粉体或者它们的混合物，其纯度＞98wt％，粒径均为0.3～10μm。
(2)将上述步骤中含有烧结助剂的粉料均匀混合后，然后装入石墨模具中，在10～100MPa、1500℃～1700℃、保温时间3～30分钟的条件下SPS低温快速烧结。烧结结束后样品随炉冷却至室温；SPS烧结时气氛为真空或氮气保护；脉冲电流方向与加压的方向一致(即平行)。
显然，本发明提供的高热导氮化硅陶瓷的制备方法与现有的氮化硅陶瓷的制备方法相比，具有以下几个优点：
(1)以相对较少的烧结助剂制备出致密氮化硅陶瓷；
(2)在较低的温度下和低压及中压的条件下制备出高热导、高强度的氮化硅陶瓷；
(3)在较短的保温时间下制备出高热导的氮化硅陶瓷；
(4)所制备的氮化硅陶瓷具有优良的热学、力学性能，其中热导率介于50～120W/m·K之间，最高可达120W/m·K、三点抗折强度σb达750MPa以上。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图
图2是本发明所提供的实施例1所得的氮化硅陶瓷的抛光面腐蚀形貌图
具体实施方式
下面通过实施例进一步阐明本发明的特点，但不局限于实施例。
实施例1
将外加3wt％烧结助剂MgSiN2的粉料均匀混合后，然后装入石墨模具中，在60MPa、1500℃、保温时间12分钟的条件下SPS烧结。烧结结束后样品随炉冷却至室温。
由上述工艺制备的氮化硅陶瓷热导率可达100W/m·K、三点抗折强度σb达946MPa，维氏硬度为17GPa，断裂韧性为7.41MPam1/2。其抛光面腐蚀形貌如图2所示。
实施例2
将外加5wt％烧结助剂MgSiN2的粉料均匀混合后，然后装入石墨模具中，在30MPa、1550℃、保温时间12分钟的条件下SPS烧结。烧结结束后样品随炉冷却至室温。
由上述工艺制备的氮化硅陶瓷热导率可达112W/m·K，三点抗折强度σb为800MPa，维氏硬度为16.5GPa，断裂韧性为7.68MPam1/2。
实施例3
将外加9wt％烧结助剂MgSiN2的粉料均匀混合后，然后装入石墨模具中，在20MPa、1550℃、保温时间5分钟的条件下SPS烧结。烧结结束后样品随炉冷却至室温。
由上述工艺制备的氮化硅陶瓷热导率可达63W/m·K，三点抗折强度σb为900MPa。
实施例4
将外加5wt％烧结助剂MgSiN2的粉料均匀混合后，然后装入石墨模具中，在80MPa、1650℃、保温时间30分钟的条件下SPS烧结。烧结结束后样品随炉冷却至室温。
由上述工艺制备的氮化硅陶瓷热导率可达120W/m·K，三点抗折强度σb为798MPa。
实施例5
将外加5wt％烧结助剂BeSiN2的粉料均匀混合后，然后装入石墨模具中，在60MPa、1600℃、保温时间30分钟的条件下SPS烧结。烧结结束后样品随炉冷却至室温。
由上述工艺制备的氮化硅陶瓷热导率可达95W/m·K，三点抗折强度σb为756MPa。
实施例6
将外加5wt％烧结助剂Mg3N2的粉料均匀混合后，然后装入石墨模具中，在60MPa、1600℃、保温时间30分钟的条件下SPS烧结。烧结结束后样品随炉冷却至室温。
由上述工艺制备的氮化硅陶瓷热导率可达85W/m·K，三点抗折强度σb为825MPa。
实施例7
将外加5wt％烧结助剂MgSiN2、BeSiN2和Mg3N2的粉料均匀混合后，然后装入石墨模具中，在50MPa、1650℃、保温时间30分钟的条件下SPS烧结。烧结结束后样品随炉冷却至室温。
由上述工艺制备的氮化硅陶瓷热导率可达103W/m·K，三点抗折强度σb为821MPa。
从上述七个实施方案可以看出，本发明采用氮化物作为α-Si3N4陶瓷制备的烧结助剂，并通过SPS低温快速烧结的方法，获得了高热导的氮化硅陶瓷。

Claims (5)

1.一种高热导氮化硅陶瓷制备方法，其特征在于
(a)以α-Si3N4粉体和作为烧结助剂的氮化物粉体为起始原料，两者重量比为100∶10～2；所述的氮化物为MgSiN2、Mg3N2和BeSiN2中任意一种，或它们的混合物；
(b)将步骤(a)的含有烧结助剂的粉料均匀混合后，装入石墨模具中，在10～100MPa、1500～1700℃的条件下放电等离子烧结；
(c)烧结结束后随炉冷却至室温。
2.按权利要求1所述的高热导氮化硅陶瓷制备方法，其特征在于所述的α-Si3N4粉体的α相重量百分含量＞83％，粒径为0.3～10μm。
3.按权利要求1所述的高热导氮化硅陶瓷制备方法，其特征在于所述的作为烧结助剂的氮化物的纯度大于98％，粒径为0.3～10μm。
4.按权利要求1所述的高热导氮化硅陶瓷制备方法，其特征在于放电等离子烧结的保温时间为3～30分钟。
5.按权利要求1所述的高热导氮化硅陶瓷制备方法，其特征在于放电等离子烧结是在真空或氮气下进行的。
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